互动科普

第三类视觉

撰文  柯里·洛克（Corie Lok）

翻译  黄敏  蒋青

英国牛津大学的神经学家拉塞尔·福斯特（Russell Foster）还记得，他的第一个人类试验对象是一位87岁的妇女，遗传紊乱破坏了她的视杆细胞和视锥细胞。从50年前起，她就再没看见过任何东西，也确信自己未来也无法复明。试验时，她坐在一间黑暗的房间里，面对着一扇配有背光源的毛玻璃窗。当房间中的光切换至蓝色时，她犹豫了一会儿，然后向研究者报告说她看见了某种光亮。试验结果让福斯特非常惊讶， 2007年，他报道了这项发现。

福斯特与同事并没有对这位妇女采取任何治疗。她能察觉到光，要归功于一群在2002年就被发现的感光细胞。这类感光细胞被称为内感光视网膜神经节细胞（intrinsically photosensitive retinal ganglion cell，ipRGC），后续研究揭示出它们许多出人意料之处。科学家原本认为ipRGC的功能仅止于调节生物钟（circadian clock，生物钟能够随着光的强度变化，以24小时为周期，设置生物的新陈代谢和行为方式），不会对视觉的形成产生帮助。不过，最近的研究表明ipRGC的功能被低估了，它们在视觉的形成过程中起着区分图案和跟踪光强总量等级的作用，而且，它们似乎能根据周围光线来影响读书、记忆等认知行为。

撇开视杆细胞和视锥细胞

在过去一个世纪里，谈到眼睛里的光感受器，视觉科学家主要都将注意力放在视杆细胞和视锥细胞上。于是，像福斯特这样出身节律生物学界（circadian-biology community）的“门外汉”，才得以发现第三种光感受器的首批证据。在20世纪90年代初，福斯特还在美国弗吉尼亚大学时，他所在的实验室就利用老鼠进行了生物周期的光响应试验，一只随着年龄增长视网膜发生退化的突变体老鼠，其对光的反应与视网膜正常的老鼠并无二致。然而，对于那些眼睛被摘除的老鼠的内在生物钟，光线却不起作用。

外界对此结论表示强烈质疑，福斯特甚至需要在演讲时叫回那些离席的听众。质疑这项研究的人表示，或许那只突变体老鼠仍残留有视杆细胞和视锥细胞来帮助设置生物钟。所以在1999年，已跳槽到英国伦敦帝国理工学院（Imperial College London）的福斯特将没有视锥细胞的转基因老鼠与视杆细胞退化的老鼠进行杂交，得到了既没有视杆细胞也没有视锥细胞的后代。他发现，在这些后代老鼠中，只要个体有眼睛，生物节律就正常。

2000年，福斯特曾经的研究生、现任职于弗吉尼亚大学的伊格那西欧·普罗文西欧（Ignacio Provencio）有了新的发现。他在老鼠及灵长类的神经节细胞层中发现了感光的黑视蛋白（melanopsin）分子。神经节细胞层曾被认为仅仅是一类密织为网状、起着从视杆和视锥细胞中提取信号并向大脑传递信号的视网膜细胞（见图“分层感光”）。这种感光色素的存在表明，神经节细胞层中的一些细胞，作为一种新的光感受器也起着感光的作用。研究者竞相分离这些细胞，以期证明它们不必从视杆和视锥细胞输入信号，就可以直接被光激活。

最终，有两个研究小组在2002年打了个平手。美国约翰斯·霍普金斯大学的萨莫·哈达尔（Samer Hattar）和他的合作者发现，在老鼠的神经节层中多达1%的细胞都可以表达黑视蛋白，同时他们还发现，黑视蛋白对蓝光的反应最为敏感。美国布朗大学的神经学家戴维·柏森（David Berson）则发现，ipRGC能够自己侦测光线并直接向大脑的节律器——视交叉上核（suprachiasmatic nucleus）传达信息。华盛顿大学的神经学及眼科学家拉塞尔·范戈德（Russell Van Gelder）说，这两篇文章使质疑声消弭，“2002年确实解决了一桩大事”。

研究者继而开始完善老鼠模型，使他们能选择性地截断眼睛里3种光感受器中任一种的信号输入，以确定它们各自的作用。但是这些细胞好像不只是各司其职而已，它们似乎可以在不同的状况下转换角色。

视杆细胞可以在低光照下设置生物钟，这一事实变得越来越明确，但一些研究团队表示，视锥细胞也能在特殊情况下起相同作用。或许更令人吃惊的是，ipRGC恐怕也对视觉感知有所贡献。哈达尔及其他一些研究者为老鼠的ipRGC作了荧光标记，以追踪这些细胞传入大脑的神经投射情况。他们发现ipRGC能够到达的脑区比预想的要多，其中还包括参与视觉处理过程的中枢区域：外侧膝状体（LGN） 背侧和上丘脑（superior colliculus）。一些没有能发挥作用的视杆细胞和视锥细胞却拥有完整ipRGC的老鼠个体，甚至能够在视觉测试中分辨图案。

上述实验结果令人困惑。英国曼彻斯特大学的神经生物学家罗伯特·卢卡斯（Robert Lucas）说，黑视蛋白对光的反应速度慢到以秒计，这限制了它对空间信息改变的反应能力。卢卡斯和他的团队发现，因缺乏黑视蛋白基因导致ipRGC失去感光性的老鼠，外侧膝状体中一半的神经元对光的反应有缺陷。这些老鼠无法侦测出周围光线的强度，尤其是在白天。事实表明，ipRGC应该可以编码光的强度信息。

研究者现在相信，ipRGC和视杆细胞互相弥补、协同作用，使眼睛和大脑可以对大范围的光线强弱变化作出反应。为何这些光感受器以这种特殊的方式齐挑重任？原理仍不清楚。不过，ipRGC对蓝光更为敏感的这类特性，可能更容易让眼睛发觉黎明和黄昏的来临。

初见光明

ipRGC似乎可以跳过视觉和生物钟来影响生理活动。许多生理活动曾被认为与光有关，比如睡眠、偏头痛、季节性情感障碍，而最近，它们又都与ipRGC的活动性联系上了。普罗文西欧说：“在某种程度上，似乎一整套生理活动都与光有关。”

学习和记忆能力在特定的光照情况下可以被提高。普罗文西欧和同伴去年公布的数据展示了光对老鼠习得性恐惧的影响。他们训练老鼠，使之习惯于在某种音频信号的伴随下遭受轻微的电击。结果显示，那些在有光照条件下接受恐惧训练的老鼠，听到音频信号后呆立的时间要比在黑暗中接受训练的老鼠长。这样的差异没有发生在缺乏视杆细胞和视锥细胞的老鼠身上，在敲除黑视蛋白基因的老鼠身上却体现了出来。这个事例表明，视杆细胞和视锥细胞是光致性学习强化过程的驱动“元件”。不过，研究者还没有排除ipRGC的作用。这些细胞从眼睛传递信息至脑中的非视觉中枢，包括恐惧反应中枢。

哈达尔还有一组未公布的数据表明，在老鼠醒睡周期（sleep-wake cycle）的不同时间点用光来激活黑视蛋白，能够削弱它们的学习和记忆能力，即使动物拥有正常的生物钟，情况也是如此。这个例子意味着，在不需要的时候将身体暴露于光照下是有害的。不过对于ipRGC含量比老鼠少的人类来讲，研究视觉细胞如何对生理活动和行为方式产生影响的实验才刚刚开始。美国波士顿市布莱根妇女医院（Brigham and Women’s Hospital）的神经学家斯蒂芬·洛克雷（Steven Lockley）及同事对16名健康的自愿者进行了试验。他将自愿者暴露于蓝光或者绿光下6.5小时，然后测量他们对外界的反应时间。当被要求对听到的声音进行报告时，暴露于蓝光下的自愿者反应时间更短，并且犯错更少。

洛克雷说，上述不同的研究最终或许能使我们设计出“更健康”的光，比如使用特定波长、强度甚至图案的光来激活大脑通路，从而改善人们的情绪、睡眠和精神面貌。洛克雷指出：“这些研究为我们开创了光应用于病理治疗和普通民众的新领域。”

特定频率的光对健康有利，但也可能对健康产生不良影响。洛克雷与一些光学工程师、神经学家和眼科学家在一个名为“蓝光组织”的团队中携手工作。组织成员在去年夏天第一次碰面，主要围绕蓝光的安全议题进行了讨论，例如长时间暴露于蓝光下可能导致视网膜黄斑变性，这种视觉疾病会损伤视力。蓝光组织的领导人是加利福利亚大学戴维斯分校的材料学家查尔斯·汉特（Charles Hunt），他指出，先进节能照明技术中使用的发光二极管，就会发出丰富的蓝光。这种技术的广泛应用会不会导致人类新的健康问题呢？

通过进化，人类已经适应在自然光下生活了，范戈德担心：“我们会不会用自己不适应的波长来污染地球，从而损害自身的健康呢？”考虑到现在新光源的大量涌现，汉特认为，“尽快找出这个问题的答案”，已经变得异常重要。